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二十億年前——遠在人類在 20 世紀 50 年代開發出第一座商業核電站之前——十七座天然核裂變反應堆在今天的西非加彭執行[圖 1 和圖 2]。這些天然核反應堆產生的能量是適度的。加彭反應堆的平均功率輸出約為 100 千瓦，可為約 1,000 個燈泡供電。作為比較，商業壓水沸水反應堆核電站產生約 1,000 兆瓦的功率，可為約一千萬個燈泡供電。
圖 1： 法蘭西維爾盆地的地質情況。天然核反應堆位於奧克洛和邦戈貝。其他鈾礦床（未容納天然核反應堆）位於博因齊、奧克洛邦多和米庫隆古。圖表取自 Mossman 等人，2008 年。
儘管加彭核反應堆的功率輸出適中，但它們非常引人注目，因為它們大約在 20 億年前自發開始執行，並持續穩定執行長達一百萬年。此外，在加彭反應堆中，許多核裂變放射性產物已被安全地封存了 20 億年，這為核廢料的長期地質儲存是可行的提供了證據。
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科學家在 20 世紀 50 年代首次假設古代地球上可能存在天然核反應堆，當時商業核反應堆剛剛被開發出來並開始普及。值得注意的是，在 1956 年的一篇論文中，保羅·黑田理論化了核裂變可能自發發展並持續存在的條件。
圖 2： 奧克洛和奧克洛邦多鈾礦床的地質剖面圖，顯示了核反應堆的位置。最後一個反應堆（#17）位於邦戈貝，奧克洛東南約 30 公里處。核反應堆位於 FA 砂岩層中。圖表取自 Mossman 等人，2008 年。
這些條件與人為核反應堆中維持核反應的條件非常相似。
在人為核反應堆中，當鈾（或有時是鈽）原子裂變或分裂成碎片，釋放核能時，就會產生能量。由於這種裂變，會產生快中子。如果被慢化物質（通常是水或石墨）減速，這些中子可能會誘導其他原子發生裂變。當受到仔細控制時，自持“臨界”核裂變反應可以長時間產生能量——直到核燃料中的可裂變原子耗盡。核裂變產生的能量通常用於加熱水併產生蒸汽，蒸汽驅動大型渦輪機發電。
鈾是商業核電站中最常用的燃料。鈾有三種同位素：鈾 238、鈾 235 和鈾 234。由於核特性，鈾 235 在受到中子轟擊時最有可能發生裂變。然而，在今天的地球上，鈾 235 僅佔鈾的 0.720%，而鈾 238 是鈾的主要同位素 (99.275%)，鈾 234 僅以痕量存在 (0.006%)。鈾的同位素分佈在地球地殼中非常均勻，因此今天開採的所有鈾礦石都含有約 0.720% 的鈾 235。為了提高核鏈式反應的效率，鈾 235 在用作核電站燃料之前會被人為地富集至約 3%。
為了控制人為反應堆中的核鏈式反應，水既用作慢化劑（減慢中子速度的物質），又用作冷卻劑。為了控制或關閉核鏈式反應，使用了控制棒。這些控制棒由能夠吸收中子而不發生裂變的元素（如銀、銥和鎘）組成。硼（另一種非常擅長吸收中子而不發生裂變的元素）也可以新增到核反應堆周圍的水中，以減緩或關閉核反應。
因此，在人為核反應堆中，鈾的濃度、鈾 235 的丰度以及中子慢化劑和吸收劑的存在都受到嚴格控制。這些相同的因素在天然核反應堆中也發揮作用。
穩定的天然核反應堆的形成必須滿足四個條件
1. 天然鈾礦石必須具有高鈾含量，並且必須具有一定的厚度（至少約 2/3 米）和幾何形狀，以增加鈾 238 中的自發天然裂變誘導鈾 235 中自持裂變反應的可能性。
2. 鈾必須含有大量可裂變的鈾 235。
3. 必須有慢化劑，一種可以減慢鈾裂變時產生的中子速度的物質。
4. 鈾附近不得存在大量吸收中子的元素（如銀或硼），這些元素會抑制自持核反應。
黑田指出，古代鈾礦床中可能存在天然核反應堆形成的必要條件。今天，有許多集中的鈾礦床，但是——正如你可能會感到欣慰的那樣——核裂變不可能自發地發展。這是因為鈾 235 的濃度太小（僅佔鈾的 0.720%，正如我上面提到的那樣），無法維持自持裂變反應。然而，鈾 238 和鈾 235 的相對比例在地球歷史上一直在變化。
地球最初形成時，鈾 235 佔鈾的 30% 以上[圖 3]。鈾 235 相對於鈾 238 的比例一直在變化，因為鈾同位素具有放射性，並且會隨著時間的推移衰變為其他元素。然而，鈾 238 的衰變速度遠慢於鈾 235，因此在地球 45.4 億年的歷史中，鈾 235 相對於鈾 238 變得越來越稀少。數十億年前，鈾礦石中鈾 235 的丰度足夠高，足以形成自持裂變反應。二十億年前，鈾礦石中會存在約 3.6% 的鈾 235——大約是壓水沸水反應堆核電站中使用的鈾 235 的比例。因此，理論上，一個古老的（數十億年前的）鈾礦床可能自發地發展出自我維持的核裂變，前提是鈾足夠集中，有一種物質（可能是水）充當慢化劑，並且附近沒有大量的吸中子元素。
圖 3： 隨時間推移，地球地殼中鈾 235 / 鈾 238 的比例。x 軸單位為百萬年。當加彭天然核反應堆在大約 20 億年前執行時，地球地殼中大約含有 3.68% 的鈾 235。圖表取自 Gauthier-Lafaye 和 Weber，2003 年。
十六年後，即 1972 年，恰好在加蓬髮現了這樣一個天然核反應堆。法國一直在加彭——他們以前的殖民地——開採鈾，用於核電站。在對加彭鈾礦石進行常規同位素測量期間，法國人注意到一些非常奇怪的事情：鈾礦石的鈾 235 含量不是 0.720%。相反，鈾礦石中的鈾 235 異常貧乏，僅含有 0.717%。這聽起來可能是一個微小的變化，但這種差異讓法國核官員非常震驚。你看，地球地殼（甚至月球岩石和隕石中）的鈾 235 與 0.720% 的平均值相比變化很小。由於鈾 235 可用於製造核彈，因此必須解釋這種“丟失”的鈾 235。
幸運的是，核官員和科學家最終想起了黑田和其他人的舊出版物，他們很快意識到來自加彭的異常鈾提供了非凡事物的證據——有史以來發現的第一個天然核反應堆。鈾礦石中鈾 235 的含量減少了，因為二十億年前，一些鈾 235 已在天然核反應堆中被消耗掉了。最終，在奧克洛的鈾礦中發現了十六個天然核反應堆[圖 1]。在邦戈貝還發現了另外第十七個天然核反應堆，位於奧克洛東南約 30 公里處。
加彭的天然核裂變反應堆是獨一無二的——迄今為止，尚未發現其他天然核反應堆。不幸的是，對於科學而言，奧克洛的十六個天然核反應堆已被摧毀，為了獲得豐富的鈾礦石而被完全開採殆盡。科學家們只有有限的鈾樣品（通常帶有稀疏的現場筆記）可以用來研究這些非凡的核反應堆。在 20 世紀 90 年代後期，最後一個位於邦戈貝的天然核反應堆也面臨被開採的危險。1997 年，科學家弗朗索瓦·戈蒂埃-拉法耶（及其合著者）在《自然》雜誌上發表了一篇呼籲書，呼籲停止開採邦戈貝鈾礦。他們寫道：
地球上最後一個已知的天然裂變反應堆很可能在今年被開採。由於這些天然反應堆是獨一無二的，因此至少應該保留一個用於當前和未來的研究專案……除一個反應堆外，所有反應堆都位於加彭法蘭西維爾盆地最重要的鈾礦床奧克洛……該礦床將於 1998 年很快被完全開採殆盡。因此，未來對這些反應堆的研究將不得不依賴於先前收集的樣本，其中許多樣本記錄不完整，並且脫離了其地質背景……然而，在位於奧克洛 30 公里外的邦戈貝的非常小的鈾礦床中的一個反應堆中，工作仍然是可能的。我們建議將這個獨特的、具有重要科學意義的礦床儲存下來，以供現在和未來的研究。這個礦床同樣是獨一無二的，而且肯定比來自月球和火星的最珍貴的標本更不可替代。
自從 1972 年發現加彭天然核反應堆以來，科學家們一直在思考為什麼這些反應堆在二十億年前的加彭形成，並且——似乎——在地球上的其他地方或時間都沒有形成。科學家們仍在努力瞭解加彭反應堆，但在過去的四十年中，他們設法梳理出這些核反應堆是如何執行並在地質記錄中儲存下來的一些細節。
你可能想知道為什麼天然核反應堆僅在二十億年前的鈾礦床中形成，當時鈾 235 的含量已經減少到不到鈾的 4%。當鈾 235 的含量更高時，裂變反應堆不是應該更早地在地球歷史上形成嗎？請記住，高同位素丰度的鈾 235 只是天然核反應堆形成的四個條件之一。另一個重要條件是鈾的富集。事實證明，在大約二十億年前之前，地球上沒有形成大量的鈾富集。原因很簡單：氧氣。
在地球上的大多數岩石中，鈾僅以痕量（百萬分之幾或十億分之幾）存在。鈾通常透過熱液迴圈富集，熱液迴圈會吸收鈾並將其富集到新的熱液礦床中。為了使這種熱液迴圈富集鈾，鈾必須是可溶的（能夠被水吸收）。然而，鈾的溶解度有點棘手。當鈾處於還原態 (U4+) 時，鈾傾向於形成非常穩定的化合物，這些化合物不易溶解。然而，當鈾處於氧化態 (U6+) 時，鈾很容易形成可溶性絡合物。地球早期大氣中氧氣含量非常少。因此，由於沒有氧氣將鈾轉化為其可溶形式，因此很難富集大量的鈾。
然而，從大約 24 億年前開始，發生了一次名為“大氧化事件”的事件，在此期間，大氣中的氧氣含量顯著上升，從 <1% 上升到 ≥15%。大氣氧氣含量的顯著上升是光合藍藻產生氧氣的結果。一段時間以來，這些細菌產生的氧氣被礦物質吸收並被氧化。然而，當這些礦物質中的氧氣飽和時，氧氣開始在大氣中積累。大氣氧氣含量的增加使鈾能夠移動並透過熱液迴圈富集。
在加彭，富鈾礦床大約在二十億年前在法蘭西維爾盆地的海洋砂岩層中形成[圖 2]。該砂岩層的下部最初包含許多小的含鈾礦物（獨居石、釷石，可能還有瀝青鈾礦）。這些礦物是分散的，直到大約二十億年前氧化水滲入砂岩。這些氧化水溶解了含鈾礦物，並將鈾富集到砂岩層頂部的幾個礦床中。鈾實際上變得異常富集。當鈾濃度達到 10% 時，鈾裂變可能已經開始；加彭鈾礦床（天然核反應堆在其中形成）含有約 25% 至 60% 的鈾。
因此，二十億年前在加彭，滿足了天然核裂變反應堆形成的四個條件中的兩個：存在大量的鈾富集，並且這種鈾仍然含有大量的易裂變鈾 235。其他兩個條件也得到了滿足。水能夠滲入含有鈾礦床的可滲透砂岩中，並且這種水充當了中子慢化劑。也沒有大量的吸中子元素來抑制自持裂變反應。所有這些都為天然核裂變反應堆提供了完美的配方。
加彭天然核反應堆運行了數十萬年。反應堆可能以有規律的間隔開啟和關閉。核裂變開始，由水減速，並持續到所有可用的水因核熱而沸騰蒸發。直到新的水滲入反應堆，反應才可能再次開始。反應堆的這種開關行為可能在幾個小時的時間尺度上執行，類似於間歇泉由於地下水補給而週期性噴發的方式。可能由於這種週期性的開關行為，加彭天然核反應堆非常穩定。沒有發生過一次熔燬；反應堆穩定執行長達 100 萬年。最終，可裂變的鈾 235 耗盡，加彭天然核反應堆關閉。
加彭天然核反應堆的長期儲存可能比反應堆本身更引人注目。這些核反應堆經歷了 20 億年的地質時間。加彭反應堆的儲存是兩個因素的結果：非洲克拉通的長期穩定性和鈾礦床與氧化地下水的隔離。加彭的天然核反應堆似乎主要受到包裹性碳質物質和粘土的保護，這些物質和粘土創造並維持了還原性（低氧）條件，這些條件在很大程度上抑制了鈾和其他核裂變放射性產物的移動。
也許天然核反應堆在二十億年前在地球上的其他幾個地方執行過。也許我們還沒有找到其他天然核反應堆的證據，或者其他天然核反應堆的放射性遺蹟早已被侵蝕或氧化和溶解。然而，截至今天，加彭天然核反應堆仍然“是獨一無二的，而且肯定比來自月球和火星的最珍貴的標本更不可替代”。由於加彭反應堆如此穩定，執行時間如此之長，並且已經儲存了 20 億年，因此對這些獨特的天然反應堆的科學研究提供了與人為核電和核廢料儲存相關的重要見解。看來，大自然母親知道如何操作核反應堆。
參考文獻
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關於作者： 伊芙琳·默文目前正在麻省理工學院和伍茲霍爾海洋研究所的聯合專案中攻讀海洋地質學與地球物理學博士學位。她撰寫了一個名為 Georneys 的地質學部落格，該部落格最近加入了 AGU 部落格網路。在 2011 年的 3 月和 4 月，伊芙琳定期採訪她的父親，一位核工程師，關於日本正在進行的福島第一核電站災難。她對父親的採訪變得非常受歡迎，並在網際網路上廣為傳播。她目前正在編纂一本關於所有核採訪的書籍，並計劃在福島災難接近四個月之際再次採訪她的父親。可以在 Twitter 上找到她，賬號為 @GeoEvelyn。
所表達的觀點是作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。
編者注：感謝讀者指出兩個錯誤，現已修復：人為反應堆可以為一千萬個燈泡供電，而不是一百萬個燈泡，並且其中釋放的是核能，而不是化學能。